CC BY
189
- © A.A. Юдаков, Д.В. Червонецкий,
A.B. Перфильев, В.В. Слесаренко, А.Ю. Чириков, Ю.М. Бадулин, 2014
УДК 541.183
A.A. Юдаков, Д.В. Червонецкий, A.B. Перфильев,
B.В. Слесаренко, А.Ю. Чириков, Ю.М. Бадулин
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФЛОКУЛЯНТОВ И СОРБЕНТОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВОДЫ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОКОВ *
Рассмотрены вопросы эффективного применения новых видов флокулян-тов на станциях очистки и доочистки питьевой воды, устанавливаемых на предприятиях, где предъявляются повышенные требования к качеству используемой воды. Показано, что использование комплексных флокулян-тов-коагулянтов обеспечивает высокие скорость и качество очистки питьевой воды при относительно небольших дополнительных затратах. Определены условия эффективного использования специализированных гидрофобных сорбентов для очистки промышленных сточных и льяльных вод от органических загрязнений.
Ключевые слова: очистка воды, очистка стоков, коагулянты, флокулянты, сорбенты, фильтры
Основными загрязнителями источников водоснабжения обычно являются соединения железа и марганца, нитраты и нитриты, хлориды, сульфаты, природные алюмосиликаты, гуминовые вещества почв, остаточные продукты процессов водоподготовки, в том числе дезинфекции. Перечисленные загрязнения часто находятся в воде в виде устойчивых коллоидных форм и не всегда удовлетворительно удаляются традиционным способам очистки. Применение сложившихся схем удаления примесей неорганическими коагулянтами в присутствии полиакриламидных и иных синтетических флокулян-тов обладает рядом недостатков, особенно на станциях локальной доочистки водопроводных вод, и требует соблюдения оптимального режима смешения, определенного времени контакта внесенных реагентов с водой и наличия емкостей созре-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, по постановлению П 218, договор № 02.025.31.0035-225 от 12 февраля 2013 г. между Открытым акционерным обществом «Дальневосточный завод «Звезда» и Министерством образования и науки Российской Федерации.
вания осадка. Перспективные результаты в водоподготовке достигнуты при применении в составе комплексного флоку-лянта-коагулянта природного полиаминосахарида — хитозана, получаемого из хитинсодержащих панцирей крабов, креветок и других морских членистоногих. Хитин является вторым по распространенности природным полимером после целлюлозы. Запасы его огромны, а получение хитозана из хитина является технологически простым процессом.
Новые флокулянты — это функциональные жидкие полимеры на основе хитозана, в которых имеются наноразмерные гидрофобные заместители, введенные в структуру хитозана. Флокулянты позволяют эффективно очищать загрязненные эмульсиями воды в диапазоне рН=3,5-10,5 при температуре от 0 до 100оС в растворах с высокой ионной силой, в том числе в морской воде, а также получать чистую питьевую воду из источников с различными загрязнениями.
Институтом химии ДВО РАН разработаны технические условия на флокулянты: ТУ 2163 - 008 — 02698192 - 2004 «Фло-кулянт хитозановый «Хитофлок»; ТУ 2163 - 007 — 02698192 — 2004 «Флокулянт комплексный хитозановый алюминий содержащий «Инстафлок» [1, 2].
Основные технические характеристики флокулянтов:
Основа — природный полиаминосахарид хитозан, не токсичен. Насыпная плотность — 0,2 кг/м3.
Уменьшение мутности воды (исходная мутность принята за 1,0) — до 0,05.
Способ утилизации — сброс в сточные воды общего назначения. Норма расхода на очистку 1т воды — 0,1 — 0,5 г. Основные экономические характеристики флокулянтов: Стоимость 1т сухого вещества на российском рынке 32 000 $. Стоимость очистки 1т воды 0,10 — 0,51 $.
Производство хитозановых флокулянтов обеспечивается из двух видов сырья: товарного хитина или товарного хитозана. В случае использования хитина, возникает дополнительная начальная стадия деацилирования хитина с образованием хитозана. Для получения водорастворимого хитозанового флокулянта «Хитофлок» проводят трехстадийный процесс получения сухой соли хитозана (гидрохлорид, ацетат, и т.д.).
Использование хитозанового флокулянта в комплексной смеси с неорганическим коагулянтом приводит к глубокой очистке мутных или высокомутных вод с повышенной цветностью. Обрабатываемая вода может непосредственно подаваться на напорную фильтрацию, минуя стадию созревания осадка. Сочетание высокой скорости и эффективности процесса флокуляции позволили предложить для вновь полученных комплексных флокулянтов название «Инстафлок» от английского instant — мгновенный.
Преимущества применения комплексного флокулянта «Инстафлок»:
— дозы реагента, необходимые для качественной очистки воды, ниже общепринятых;
— скорости фильтрации на напорных фильтрах могут достигать 30-50 м/ч и более, что позволяет уменьшать габариты проектируемых очистных сооружений или увеличивать мощность уже существующих;
— возможность использования крупнозернистых фильтрующих материалов, позволяющих снизить гидравлическое сопротивление и повысить скорость фильтрации без потери качества очистки;
— снижается или устраняется зависимость степени и скорости коагуляции от температуры исходной воды;
— в очищенной воде отсутствует остаточный коагулянт, существенно снижаются загрязнения, связанные с процессом хлорирования;
— для водоподготовки используется нетоксичный природный, не синтетический полимер.
Методы исследования
Конструктивно установки флокуляционно-коагуляцион-ной очистки питьевых и технологических вод выполняются в виде трех взаимосвязанных модулей, включающих систему фильтрации, систему пропорционального дозирования водоочистного реагента и систему управления. Такие установки могут иметь различную степень автоматизации (управляться автоматически, либо управляться и выходить на режимы промывки и регенерации загрузки по команде персонала).
Система фильтрации. Узел напорной фильтрации (рис. 1) предназначен для улучшения качества питьевой воды и состоит из соединенных параллельно фильтров-осветлителей, обрабатывающих воду после скорых фильтров обез-железивания. Перед подачей на фильтры в воду последовательно вводятся растворы реагентов обеспечивающих качественную фильтрацию от диспергированных загрязнений. В качестве средства для связывания агрессивной углекислоты и повышения рН воды используется раствор щелочи. Для коагуляции (флокуляции) примесей в потоке дозируется раствор комплексного флокулянта «Инстафлок». Вода после смешения с реагентами подается на напорную фильтрацию без предварительного созревания осадка и отстаивания. Коагулированные загрязнения отделяются на фильтрующей загрузке фильтров и удаляются по окончании фильтроцикла взрыхляющей промывкой.
Характеристика фильтров типа ФОБ 2.6-0.6: высота фильтрующего слоя 1,5 м, объем фильтрующего материала 8 м3, линейная скорость фильтрации 26—30 м/ч, производительность фильтра по очищенной воде 62—72 м3/ч, защитное действие одного фильтра не менее 2000 м3 обработанной воды, периодичность регенерации каждые 27—32 часа.
Система напорной фильтрации, состоящая из пяти осветительных фильтров ФОВ 2.6-0.6 обеспечивает очистку 7000 т/час воды до необходимых требований при условии соблюдения правил эксплуатации.
Участок приготовления и дозирования реагентов предназначен для снабжение узла дозирования растворами щелочи и коагулянта в смеси с флокулянтом «Инстафлок». Растворы подаются в поток воды магнитно-приводными мембранными дозаторами, работающими под управлением импульсного водомера. Первым по направлению движения воды дозируется рас-
Рис. 1. Установка очистки артезианской воды в п.г.т. Лучегорск (узел напорной фильтрации)
твор щелочи, затем на выходе из статического смесителя добавляется раствор коагулянта. Вода после добавления реагентов направляется на фильтрацию. Приготовление и хранение растворов реагентов производится в отдельном помещении. Растворение реагентов ведется в двух емкостях из нержавеющей стали объемом 1 м3 снабженных рубашкой для подачи охлаждающей или нагревающей воды. В верхней части бака-растворителя установлен мотор-редуктор с лопастной мешалкой для перемешивания раствора. Над баком укреплен бункер для сухих форм реагентов объемом 0,1 м3, горловина бункера находится над баком и снабжена шиберной задвижкой. После растворения реагентов растворы щелочи и коагулянта отстаивают не менее суток. Отстоявшиеся растворы проверяют на соответствие выбранной концентрации и перекачивают химическими насосами в полимерные емкости объемом 2 м3 для хранения и питания насосов дозаторов. Емкости для хранения реагентов оборудованы датчиками уровня с выводом предупреждающего сигнала о низком уровне реагента на общий пульт управления работой водоподготовительной установки.
Технология очистки промышленных стоков от органических примесей и нефтепродуктов. Очистка производственных сточных вод является затратным и не всегда эффективным процессом. Использование различных способов фильтрации связано с многообразием примесей, находящихся в промышленных сточных и льяльных водах, уровнем их агрессивности и возможностью утилизации отходов на предприятии. Адсорбционный метод очистки стоков остается наиболее востребованным промышленностью в силу его простоты и возможности использования недорогих отечественных материалов для засыпки фильтров и других очистных сооружений. Исследования Института химии ДВО РАН показали, что при очистке производственных стоков от органических загрязнений и нефтепродуктов целесообразно применять гидрофобизированные алю-мосиликатные сорбенты [2, 3, 4].
Основные технические характеристики сорбента:
Минеральная основа сорбента - алюмосиликат. Для изготовления сорбентов применяется следующее сырье:
— керамзитовый гравий по ГОСТ 9757, ТУ 21 БССР 307;
— щебень перлитовый вспученный по ГОСТ 10832, ГОСТ 25226;
— вермикулит вспученный по ГОСТ 12865;
— минеральная вата по ГОСТ 4640.
Формула продукта на примере модифицированного керамзита: (ИаК) АЮэ&ЮЯ Н2О.
Внешний вид — гранулы фракций от 0,3 до 35 мм (перлит, вермикулит, керамзит), стеклотканный материал (минеральная вата). Адсорбционная емкость гидрофобизированного сорбента: до 35 % от собственного веса — керамзитовый гравий; до 60 % от собственного веса — перлит; до 12 % от собственного веса — вспученный вермикулит; до 1000 % от собственного веса — минеральная вата. Плотность гидрофобизированного керамзита — 0,7 г/см3. Нефтеемкость гидрофобизированного керамзита — 5,7 г/г. Водопоглощение сорбентов — не более 0,07 г/г. Промываемость — сорбент промывается несколько раз с частичным восстановлением эксплуатационных свойств. Плавучесть — до 92 — 96 %.
Регенерация — многократная на термохимической установке.
Основные экономические характеристики сорбента: Стоимость 1 куб. метра сорбента — 800 $.
Стоимость очистки одного м3 сточной воды с содержанием органических примесей 100 мг/л — 0,2 $.
Уходя шн с газы
Гидрофоб! патор
Рис. 2. Установка для получения модифицированных сорбентов:
1 — вентилятор; 2 — топливный насос; Э — горелка; 4 — камера гидро-фобизации; 5 — контейнер с керамзитом; 6 — емкость с гидрофобизато-ром; 7 — буферный вакуумный ресивер; 8 — вакуумный насос
Сорбент производится на основе техногенных и природных минеральных материалов путем применения химико-термической обработки неполярными углеводородами поверхности частиц. В результате обработки вся минеральная поверхность гранул, включая и стенки внутренних открытых пор, становится гидрофобной, т.е. не смачивается водой, но вместе с тем активно смачивается жидкими углеводородами, извлекая их из водных растворов.
В Приморском крае наиболее доступным материалом для гидрофобизации с удовлетворительными свойствами является керамзитовый гравий. На рис. 2 представлена схема установки для гидрофобизации материалов.
Результаты исследований
Процесс фильтрации. Основными характеристиками, по которым судят о процессах очистки воды при ее фильтрации, являются представленные ниже начальные и конечные параметры питьевой воды, подвергнутой дополнительной очистке в экспериментальной установке по рассматриваемой технологии:
Параметры СанПин 2.1.4.559-96 Исходная водопроводная вода холодная/горячая Вода после флоку-ляционной очистки
Мутность, мг/л 1,5 0,5 - 4,5 Менее 0,1
Цветность, град. 20 15 — 50 1 — 1
Железо общее, мг/л 0,3 0,7 — 4 н/о
Алюминий (ост.) мг/л 0,5 До 0,5 н/о
рН, ед. 6 — 9 6,3 - 6,8 6,3 - 6,8
Хлор (ост.), мг/л 0,5 0,1 - 0,05 0,7 - 0,02
Приведенные в таблице данные показывают, что разработанные в Институте химии ДВО РАН флокулянты позволяют получать чистую питьевую воду высокого качества из загрязненных источников, получать технологическую воду повышенной степени очистки. Технологическая схема очистки и ее ре-
жимные параметры задаются разработчиками в зависимости от характеристик исходной воды и требований к очищенной воде.
Процессы сорбции. Предлагаемый структурированный сорбент является комплексным продуктом, поскольку в основе его производства — нанесение на минеральные частицы нано-размерной органической пленки, в результате чего они приобретают принципиально новые характеристики: олеофильность, гидрофобность, стабильность, отсутствие слеживаемости, устойчивость к воздействию кислот и щелочей в интервале рН = 5—8,5, работают при температурном режиме до 80 оС. Сорбент сочетает в себе достоинства неорганических и органических сорбентов: низкую стоимость производства, обусловленную, в первую очередь, уникальностью технологического процесса, высокое качество очистки стоков от нефти и нефтепродуктов.
Способность сорбента к селективной очистке сточных вод (истинные и коллоидные растворы, эмульсии различной степени дисперсности) используется в простейших очистных сооружениях типа напорных и безнапорных фильтров. Степень очистки может быть доведена до 100 % при отсутствии каких-либо вредных выделений в окружающую среду и без применения дополнительных реагентов. Сроки работы фильтра в зависимости от нагрузки на фильтр, степени загрязненности органическими веществами очищаемой воды составляет от 10 месяцев до двух лет.
Наиболее рационально использовать сорбент в доочистных фильтрах, установленных после устройств грубой очистки воды (отстойники, нефтеловушки, сепараторы, гидроциклоны и др.).
Выводы
По сравнению с известными в России и на мировом рынке реагентами и адсорбентными материалами, предлагаемые сорбенты и флокулянты обладают рядом преимуществ:
1. Обеспечивают более высокие качество и надежность очистки воды и стоков за счет своих характеристик. В частности, технические характеристики рассмотренного гидрофоби-зированного сорбента по соотношению цена-качество и по возможностям регенерации и утилизации превышают отечественные и зарубежные аналоги.
2. Все материалы экологически безопасны для человека и окружающей среды, имеют широкий спектр применения.
3. Для получения гидрофобизированного сорбента могут быть использованы различные природные и техногенные материалы, имеющиеся в конкретной местности или у потребителя.
4. Способы утилизации предлагаемых материалов отработаны. Флокулянты на основе модифицированных комплексов хитозана - природные биоразрушающиеся безвредные полимеры. Использованный гидрофобизированный сорбент может быть подвергнут многократной регенерации и повторному применению в адсобционных фильтрах или в качестве высокоэффективного строительного материала, например при производстве асфальтобетона.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юдаков A.A., Братская С.Ю., Червонецкий Д.В., Авраменко В.А. Полисахариды в процессах водоподготовки и переработки сточных вод различного состава // Вестник ДВО РАН. — 2006. — №5(129). — С.47-56.
2. Ксеник Т.В., Перфильев A.B., Братская С.Ю., Юдаков A.A. Очистка сточных вод от эмульгированных нефтепродуктов модифицированными сорбентами и хитозаном // Химическая технология. — 2010. — №3. — С.181-185.
3. Юдаков A.A., Ксеник Т. В., Перфильев A. В., Молчанов В. П. Гид-рофобно-модифицированные сорбенты для очистки нефтесодержащих вод // Вестник ДВО РАН. — 2009. — № 2. — С. 59 — 63.
4. Юдаков A.A., Ксеник Т. В., Перфильев A. В. Новый сорбент для очистки сточных вод от органических загрязнений // Экология и промышленность России. - 2009. - №4 (апрель). - С. 19 - 21. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Юдаков Александр Алексеевич - доктор технических наук, зам. директора по научной работе и инновациям, etcih@mail.ru,
Червонецкий Денис Витальевич — научный сотрудник, dch65@inbox.ru, Перфильев Александр Владимирович — младший научный сотрудник, berkut84@list.ru,
Слесаренко Вячеслав Владимирович - доктор технических наук, старший научный сотрудник, vslesarenkov@rambler.ru,
Чириков Александр Юрьевич — ведущий инженер-технолог, alrchirikov@mail.ru, Бадулин Юрий Михайлович — ведущий инженер-технолог, badylin_yuri57@mail.ru, Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук.
APPLICATION OF FLOCCULANTS AND ADSORBENTS FOR PURIFICATION OF PROCESS WATER AND INDUSTRIAL EFFLUENTS
Yudakov A.A., Doctor of Technical Sciences, Deputy Director for science and innovation, etcih@mail.ru,
Chervonetskiy D.V., the scientific employee, dch65@inbox.ru, Perfil'evA.V., Junior researcher, berkut84@list.ru,
Slesarenko V.V., Doctor of Technical Sciences, senior scientific worker, vsle-sarenkov@rambler.ru,
ChirikovA.Y., Senior Engineer-technologist, alrchirikov@mail.ru, Badulin Y.M., the leading engineer-technologist, badylin_yuri57@mail.ru, Institute of chemistry far-Eastern branch of the Russian Academy of Sciences.
Questions of the effective application of new types of flocculants to drinking water purification stations were investigated. Flocculants for the enterprises where high demands on the quality of water were offered. New types of complex flocculants and coagulants provides high speed and quality of drinking water. Costs of water treatment reduced. Conditions for effective use of specialized sorbents for industrial wastewater treatment determined.
Key words: water treatment, wastewater treatment, coagulants, flocculants, sorbents, filters.
REFERENCES
1. Judakov A.A., Bratskaja S.Ju., Chervoneckij D.V., Avramenko V.A. Polisaha-ridy v processah vodopodgotovki i pererabotki stochnyh vod razlichnogo sostava (Polysaccharides in the processes of water treatment and recycling of waste waters of different composition) // Vestnik DVO RAN. 2006, No 5(129), pp.47-56.
2. Ksenik T.V., Perfil'ev A.V., Bratskaja S.Ju., Judakov A.A. Ochistka stochnyh vod ot jemul'girovannyh nefteproduktov modificirovannymi sorbentami i hitozanom // Himicheskaja tehnologija (Wastewater from emulsified oil products modified sorbents and chitosan //Chemical technology/). 2010, No 3, pp. 181-185.
3. Judakov A.A., Ksenik T.V., Perfil'ev A.V., Molchanov V.P. Gidrofobno-modificirovannye sorbenty dlja ochistki neftesoderzhashhih vod (Hydrophobic-modified sorbents for purification of oily water) // Vestnik DVO RAN. 2009, No 2, pp. 59 — 63.
4. Judakov A.A., Ksenik T. V., Perfil'ev A. V. Novyj sorbent dlja ochistki stochnyh vod ot organicheskih zagrjaznenij // Jekologija i promyshlennost' Rossii (The new sorbent for sewage treatment from organic impurities // Ecology and industry of Russia). 2009. No 4 (aprel'), pp. 19 - 21.
